無人水下航行器水下駐留技術研究.pdf

1、水下駐留 UUV是一種新型的水下航行器，其能夠自主低速遠程航行，在到達需要探測的港口、海峽之后能夠長期駐留在海底并對周圍環(huán)境進行探測，任務完成后，可二次啟動自主返航。本文主要對無人水下航行器水下駐留所涉及的駐留方案、流體動力特性、著陸策略、著陸及駐留安全性、二次啟動策略等若干方面進行了較為深入的研究。主要的研究工作及創(chuàng)新性成果歸納如下：
　　1.無人水下航行器海底駐留方案設計
　?。?）總體布局研究：應用多學科設計優(yōu)化的方法

2、，設計了低阻和低噪聲的水下航行器流體動力外形；結合設計的流體動力外形，對其動靜力布局進行了設計；利用經驗公式，計算了海底駐留UUV的流體動力參數；初步分析了其機動性和穩(wěn)定性。
　?。?）提出了兩種海底駐留方案——支撐桿駐留機構、錨泊駐留機構，研究了這兩種駐留方案的工作原理并建立了三維虛擬樣機；比較了這兩種駐留機構的優(yōu)缺點。
　?。?）研究了變浮力系統的工作原理并建立了其三維虛擬樣機。
　　2.航行器大攻角及海底駐留流體

3、動力特性分析
　　利用計算流體力學的方法，對航行器外圍流域劃分結構化的六面體網格，模擬不同工況下航行器外圍流場，研究航行器大攻角及海底駐留時的流體動力特性：
　　（1）對無支撐機構、只有支撐機構以及有垂推有支撐機構3種模型不同攻角時93種工況下航行器的外圍流場進行了模擬，得到了UUV大攻角時阻力系數、升力系數和俯仰力矩系數隨著攻角的變化特性。
　?。?）分析了垂推、支撐機構對航行器大攻角時流體動力特性的影響。
　

4、　（3）基于計算流體力學理論，模擬了支撐機構駐留UUV海底駐留時不同工況下的流場，得到了其海底受力隨海底傾角、距海底距離、水流速度的變化特性。
　?。?）研究了垂推對UUV海底受力特性的影響。
　?。?）研究了錨泊式駐留UUV海底受力隨距海底距離、水流速度的變化特性。
　　3.無人水下航行器著陸策略及影響因素研究
　　（1）建立了水下駐留UUV空間運動數學模型，對其操縱性進行了分析。
　?。?）建立了變浮力

5、系統對航行器受力影響的數學模型以及垂推作用力及控制的數學模型。
　?。?）提出了四種著陸策略——注水自由下潛著陸策略、支撐機構伸出注水自由下潛著陸策略、垂推控制著陸策略、支撐機構伸出垂推控制著陸策略；建立了水下駐留UUV著陸仿真系統，研究了變浮力系統的注水質量、注水位置對四種著陸策略的影響。
　　（4）分析了支撐機構、垂推對著陸過程的影響。
　　（5）對無垂推錨泊式、無垂推支撐機構式、有垂推錨泊式、有垂推支撐機構式水下

6、駐留UUV的著陸策略進行了分析與選擇。
　　4.無人水下航行器著陸及駐留安全性研究
　?。?）基于有限元分析的方法，利用軟件LS-DYNA，對UUV海底著陸時與海底碰撞的過程進行了模擬，得到了航行器應力、沖擊力及能量隨時間的變化曲線，評估了航行器著陸時的安全性。
　　（2）建立了支撐式航行器海底駐留穩(wěn)定性分析數學模型，得到了臨界穩(wěn)定狀態(tài)下各參數之間的關系；研究了能夠保持航行器海底穩(wěn)定駐留的參數。
　?。?）建立了

7、錨鏈沖擊力分析數學模型；分析了錨塊質量、錨鏈直徑、錨鏈長度對錨塊下落時錨鏈沖擊力的影響；分析了UUV正浮力、錨鏈直徑、錨鏈長度對UUV上浮時錨鏈沖擊力的影響；分析了正浮力、初始速度對UUV下落距離的影響。
　　（4）建立了錨泊式UUV在定常海流下海底駐留穩(wěn)定性分析數學模型，得到了UUV距海底距離與正浮力及錨鏈長度的關系，對錨泊式UUV海底駐留穩(wěn)定性進行了分析。
　?。?）根據航行器六自由度運動模型，分析了錨泊式UUV海底駐留

8、時在小擾動下的運動狀態(tài)并得到了錨鏈的作用力情況。
　　5.二次啟動策略及影響因素研究
　　（1）建立了二次啟動過程中變浮力系統給排水量隨時間變化的數學模型；建立了二次啟動過程中UUV頭部、尾部距海底距離的數學模型；設計了垂推的控制律。
　?。?）提出了兩種二次啟動策略——自由起浮二次啟動策略和垂推控制二次啟動策略；根據航行器的空間運動模型，研究了自由起浮及垂推控制兩種二次啟動策略及其影響因素，得到了UUV二次啟動時各參